На вопросы электронного издания AtomInfo.Ru отвечает начальник научно-производственного комплекса радиационно-химических технологий Обнинского филиала НИФХИ им. Карпова Николай ЧЕЛНАКОВ.

Головные по органике

Николай Петрович, начнём с истории. Расскажите немного о себе и о филиале.

Работаю в филиале с 1973 года и по сегодняшний день. Начинал младшим научным сотрудником, затем последовательно был научным сотрудником, старшим научным сотрудником, начальником отдела, начальником комплекса. По институтской специальности я заканчивал наш обнинский филиал МИФИ на дневном отделении, причём ещё в то время, когда это был филиал, а не самостоятельный институт. Диплом мой по специальности "Физика металлов и металловедение" был подписан В.Г.Кириловым-Угрюмовым.

О нашем институте. Когда была создана первая АЭС и планировался целый цикл работ с использованием ионизирующего излучения, сразу же возник вопрос - а как различные живые и неживые объекты будут вести себя в условиях облучения?

Поэтому в Обнинске был создан Институт экспериментальной метеорологии, в чью задачу входило изучать, как радиоактивность распространяется в атмосфере. Был создан Институт медицинской радиологии, занимающийся вопросами воздействия радиации на человека и способами использования радиации во благо человеческих организмов. Институт сельскохозяйственной радиологии исследовал взаимодействие радиации с растениями и животными. И, наконец, наш институт, о котором скажу подробнее.

Обнинский филиал НИФХИ был ориентирован на изучение вопросов поведения материалов при воздействии ионизирующего излучения различного вида - нейтронное излучение, гамма-излучение, электронное и другие виды. Для этого надо было создать и всевозможные инструменты для облучения, и методы исследования материала.

Первые наши циклы работ касались вопроса об испытании стойкости материалов. Они показали, что на тот момент у нас не было достаточных знаний, которые позволяли бы объяснить, почему тот или иной материал обладает такой-то радиационной устойчивостью. Поэтому мы в дальнейшем потратили немало усилий на теоретические и экспериментальные исследования механизмов протекания основных радиационно-химических и радиационно-физических процессов, происходящих в материале при воздействии ионизирующего излучения.

Что касается неорганических материалов (металлов), то здесь филиал работал только в части применения нейтронографии. Совместно с ФЭИ и другими институтами Средмаша мы проводили, в основном, нейтронно-структурный и нейтронно-графический анализ специальных сплавов. А вот по органике (полимеры, смазки, жидкости и т.п.) филиал был главным предприятием Союза.

Если взять классические монографии и учебники по радиационным процессам, то они создавались здесь - у нас в филиале и в головном НИФХИ. У нас работали такие известные специалисты, как Владимир Яковлевич Карпов (сын того Карпова, в честь которого назван наш институт), А.Х.Брегер, И.В.Верищинский, А.В.Ларичев, А.И.Касперович и многие другие известные ученые в области радиационного аппаратостроения, физики и химии радиационных процессов.

У нас был создан крупный отдел, который занимался радиационной стойкостью. Все работы были поставлены таким образом, что бы обеспечить возможность исследовать радиационные процессы как можно глубже, то есть на уровне академических институтов. Изучались первоначальные химические процессы, с самыми первыми частицами, которые образуются при облучении. Это возбуждённые молекулы, ионы, электроны, захваченные электроны, свободные радикалы и их взаимодействие с веществом.

Разумеется, изучали также, как на все превращения влияют внешние условия - температура, высокие или низкие давления, скорость набора дозы и так далее. В результате мы установили основные физические и химические закономерности процессов, и на основании полученных знаний стали искать способы их практического применения для изменения свойств материалов в нужную сторону. Иными словами, создавать радиационно-химические технологии.

Важно отметить, что в задачи, стоявшие перед обнинским филиалом НИФХИ не входило создание на нашей базе, на нашей площадке конечного производства. От нас требовалась разработка радиационных технологий, которые потом передавались заводам. Одна из наших технологий - полимерная обшивка для подводных лодок. На заводах есть радиационные установки, которые позволяют создавать такую обшивку по нашим методикам.

Другой пример внедрения - на одном из симферопольских заводов, где делались телевизоры, были использованы наши технологии по отверждению лакокрасочных покрытий. Они позволяют получать полированную лакированную поверхность в один приём, не требуя потом механической обработки.

В Казани есть предприятие, которое выпускает термоспекаемую изоляционную ленту, причём в высокотемпературном исполнении. Это лента - ЛЭТСАР, работающая до температур свыше 200°C. Радиационно-химические технологии, задействованные при её изготовлении, создавались нашим институтом в сотрудничестве с одним из институтов С. Петербурга.

То есть, как вы видите, наши технологии на выходе от нас ставились отраслевыми предприятиями другого профиля. Предприятия разрабатывают собственно промышленную часть, а начинка, научная составляющая и отработка технологического процесса входят в зону ответственности Карповки.

Не могу не упомянуть о таком интересном применении радиационной химии, как получение искусственного паркета. Берёте низкосортные и поэтому дешёвые сорта древесины, преимущественно осину, пропитываете её смолой и полимеризуете смолу под действием гамма-излучения. В результате из осины получается паркет, который по износостойкости, по влагостойкости гораздо лучше, чем любой классический паркет из дуба. Небольшой кусочек вот такого радиационно обработанного паркета есть в Зимнем дворце, и, конечно же, в обнинском Доме учёных.

Если строго придерживаться терминологии, то при создании искусственного паркета нами использовалась технология по модифицированию пористых материалов. Таким же образом, как осину, можно модифицировать и бетон.

Если мы подвергнем бетон радиационной обработке, то что нам это может дать?

Первое - у него возрастают прочностные характеристики. Обычный бетон менее стоек, особенно когда есть какая-то либо агрессивная химическая среда, либо просто влага. Он со временем разрушается. А здесь у него долговечность просто увеличивается, причём значительно.

Сейчас такая задача есть по долговечности бетона? Вот, допустим, здание стоит свои 60 лет, потом всё равно его снесут.

Понимаете, существуют сорта бетона, которые достаточно прочные, но и весьма дорогие. Это такие марки, которые "Метрострой" использует для каналов, и тому подобное. Я же говорю о других случаях - есть более дешёвые бетонные изделия, по которым известно, что они будут контактировать в ходе эксплуатации с агрессивной средой, влагой. Вот их-то целесообразно подвергать радиационной обработке, что не слишком будет удорожать изделие, но существенно повысит его характеристики.

Радиационная химия для АЭС

Что филиал мог бы делать для конструкций атомных блоков? Там ведь тоже есть бетон…

На блоках АЭС есть другие области, где можно использовать радиационные технологии. В любом помещении, в каких бы оно условиях не работало, обязательно применяются обычные строительные материалы - шпаклёвка, штукатурка, краска и так далее. Их, естественно, почти никогда не делают специально с высокой радиационной стойкостью. Может быть, где-то этим и занимаются, но я об этом не знаю.

При приготовлении этих материалов одна из составляющих - это полимерное связующее. У нас в филиале разработаны технологии, которые делают радиационно-химический синтез широкого спектра латексных полимеров.

Существует два вида латексов - анион-активные и катион-активные. Если первые можно получать как радиационно-химическим способом, так и с помощью обычной термохимии, то практически единственный путь получения латексов второго вида - это радиационная химия. Стойкость таких латексов, а так же прочностные, адгезионные свойства значительно превышают свойства латексов, получаемых традиционным путём.

Вторая тема, которая может быть очень интересна для атомных станций. В кабельных системах используются изоляционные материалы. Раньше были свинцовые муфты, заливаемые смолой, теперь переходят на термоусаживаемые трубки и материалы. Если использовать термоусаживаемые полимеры, которые получаются радиационным путём, время монтажа уменьшится, соединение станет более надёжным, более долговечным и так далее.

Один из наших партнёров - Подольский завод электромонтажных изделий (ПЗЭМИ). Он непосредственно вовлечён в процесс выпуска муфт для атомной энергетики. Если не ошибаюсь, то это единственное в стране предприятие, производящее такую продукцию для АЭС. Вы понимаете, что для таких муфт выдвигаются определённые требования по радиационной стойкости, по пониженной горючести, и так далее. Мы оказываем подольскому заводу услуги по выбору режима по радиационной обработке, который обеспечит максимальные механические свойства монтажных комплектов.

Ещё одно применение радиационных технологий, которое пока ещё в России не очень развито, в отличие, кстати сказать, от западных стран - использование радиационных технологий для изготовления изделий из композиционных материалов. В том числе, композиционных изделий непосредственно под облучением и композиционных материалов, так называемых препрегов, из которых можно потом формовать изделия, промежуточный продукт, уже обычным термохимическим способом.

Проблема препрегов

Разве по препрегам у нас нет производств?

Нельзя говорить так категорично. Я бы сформулировал так - мы готовы к массовому запуску таких производств, но практических наработок по изготовлению препрегов у нас не так много. Хотя есть мысли, есть планы, создавались даже препреги с очень высокой радиационной стойкостью, которые использовались даже в качестве нейтронной защиты.

При изготовлении центрифуг могут использоваться препреги, насколько мы знаем.

Филиал в своё время работал по этому направлению, но по ряду причин не смог довести разработки до конца.

Я приведу другой пример - препреги, из которых можно делать целиком корпус авиационного двигателя. В конечном итоге там получается углерод-угольное изделие. Берутся углеродные волокна и используют смолу, которая потом обугливается, и имеем на выходе композит из двух сортов углерода.

В обнинском филиале Карповки проделан большой цикл работ совместно с обнинским предприятием НПП "Технология" по созданию препрегов для изготовления высокотемпературного стекло-углепластика. Там проблема такая - когда делается крупногабаритное изделие из углепластика или из стеклопластика, то приходится выбирать для него тяжёлую оснастку. Традиционно её делают металлической, а это приводит к росту энергозатрат на изготовление. Да и сам вес изделия становится большим…

…а это не нравится разработчикам нашей новой авиакосмической техники, так?

Да, в целом вы правы.

Так вот, если говорить о мировом опыте, то есть японские фирмы, немецкие фирмы, которые в год производят по 200-300 тысяч тонн препрегов, используемых для малого судостроения и других отраслей народного хозяйства.

А у нас?

А у нас практически не делается. У нас вообще изделия из композиционных материалов мало где используются и выпускаются. Поэтому востребованность филиала по этой тематике низкая. И это плохо. Те люди, которые отвечают в нашей стране за создание самолётов и лодок нового поколения, должны понимать, что радиационные технологии могут помочь существенно снизить затраты на изготовление материалов с заданными свойствами. И это важно, в том числе, если думать о выходах на внешние рынки.

Есть в России предприятие, НИИ "Графит", для которого в своё время мы разработали технологии, поставили установку, и оно работает, делает препреги. Но, насколько я знаю, основные их потребители за рубежом, а не в нашей стране. Такая сложилась конъюнктура потребления этого продукта.

Что главное при изготовлении композитного материала? Температурный цикл, то есть, высокие температуры?

Не совсем так. Свойства любого композиционного материала зависят от трёх составляющих - свойств самого наполнителя, свойств связующего, то есть смолы, и свойств на границе между смолой и наполнителем.

Если говорить о полиэтиленовом наполнителе, то один из тверских институтов синтезировал сверхвысокомодульные и высокопрочные полиэтиленовые волокна, на основе которых теоретически можно получить композиционные изделия со свойствами не хуже, чем из лучшего угольного волокна.

Но полиэтилен обладает очень низкой адгезией к смоле, и композиционный материал получить из него очень сложно. Так в чём, собственно, и состоит роль радиационной химии? Мы не пытаемся в данном случае что-то улучшить, но зато мы можем радиационным способом модифицировать поверхность полиэтиленового волокна, и тогда смола будет с ним взаимодействовать хорошо. А если смола провзаимодействует с волокном, то мы и получим искомый композит - композиционный материал, в котором волокна работают как единое целое, а не по отдельности.

С помощью радиационной части мы можем влиять на связующую составляющую, на наполнитель и на границу - в зависимости от того, какие свойства нужно получить. То есть можно, делать препреги для изготовления подшипников, а можно и для тормозных колодок. При этом составы смол и наполнителя будут отличаться не сильно, но режим обработки, естественно, будет разным.

А требования к точности? Они же будут существенно отличаться для различных потребителей.

По поводу точности скажу следующее. В своё время была задача - разместить сверхбольшую антенну из углепластика для нужд астрономов. Антенна должна была располагаться в Крыму, а там достаточно высокие перепады температур, и требовалось сделать так, чтобы геометрия антенны не зависела от температуры. И вот только нам радиационным способом удалось создать антенну, удовлетворяющую требованиям ТЗ.

Конечно, в том случае институту пришлось повозиться. Была там не только энергетическая составляющая, но и подбор состава связующего, наполнителя и взаимодействия на переходе.

Опыт космоса - "Росатому"

Карповка, как известно, перешла в подчинение ГК "Росатом". Что полезного обнинские химики могут предложить атомной корпорации?

В "Росатоме" есть известные и очень заслуженные материаловедческие институты. Назову "Девятку", ФЭИ, НИИАР… Список можно продолжать. Но они, всё-таки, в первую очередь ориентированы на металлы. А вот предприятия, которое бы занималось стойкостью полимерных материалов, у атомщиков нет. Точнее, не было, до тех пор, пока НИФХИ не вошёл в состав "Росатома".

Традиционно с этими вещами со времён Советского Союза обращаются к нам. Приведу один пример, без конкретики, так как речь идёт о ещё не заключённом контракте. Мы ведём переговоры с заказчиком об испытании переговорного устройства, которое работает на АЭС. От нас требуется провести испытания и убедиться, что материалы устройства выдержат заданные времена работы в условиях нормальной эксплуатации, аварийной ситуации, поставарийной обстановки, и так далее. Мы должны разработать программу и методику этих испытаний, сейчас идёт уточнение всех параметров.

Я считаю, что "Росатому" нужно иметь свой испытательный центр для контроля и освидетельствования изделий из органических материалов. Конечно, госкорпорация должна выбирать, где именно следует делать такой центр, но, на мой взгляд, самыми подготовленными для этого являемся мы.

Ещё относительно недавно мы занимались подобной деятельностью для нужд космонавтики. Дело в том, что в космосе также есть радиационные и световые воздействующие параметры, то есть, задачи во многом схожи с атомными. Вплоть до того, что мы занимались разработкой ГОСТов на ускоренные испытания для заданных условий. Что в космосе корабль работает в корпусе 10-15 лет, и мы не можем 10-15 лет проводить натурные эксперименты, что на атомной станции есть потребность в доказательстве успешной службы материалов в течение десятилетий.

У нас есть методология переноса ускоренных испытаний на длительный ресурс в отношении органических молекул - полимеров, смол, связующих и так далее. И наработана большая база данных по стойкости материала.

Я касался уже вкратце тех направлений, по которым мы можем быть очень полезными для атомной промышленности. Возьмём кабели. Проблем они могут доставить, как известно, очень и очень много, если к ним подходить с пренебрежением. Не буду говорить об известном, советском ещё опыте на одной всем известной станции, напомню только о пожаре на Останкинской телебашне. Я ведь сразу после пожара звонил коллегам в институт кабельной промышленности, спрашивал - не наши ли кабели загорелись? Меня "успокоили" - нет, не наши, их там не поставили, очень экономили.

Вот и результат. Мы совместно с институтом кабельной промышленности (ВНИИКП) разрабатывали изоляционные материалы. Это обычная изоляция, но она проходит радиационную обработку, и у неё меняется режим горения. У неё не образуется капель, и кабель горит как веточка, как спичка, как палка. А в Останкино пожар был наверху, а прогорела вся шахта. Но если бы в башне использовали кабель радиационно модифицированный, то есть сшитый радиационно, то при возникновении пожара его удалось быстро погасить обычным огнетушителем.

Сколько времени требуется для разработки нового вида кабеля для атомной энергетики?

Если говорить о нашем филиале, то у нас есть сдерживающие факторы. У нас отсутствует экспериментальное оборудование технологического плана.

Поясняю буквально на пальцах. Для того, чтобы сделать радиационно-стойкий материал, нам нужно подобрать радиационно-стойкую композицию материала. Если мы делаем это на промышленном оборудовании, то надо понимать, что в нём используются экструдеры, у которых производительность 200 кг/час и более. Получается, что для одного только эксперимента нам нужно переработать тонны материала. И получим мы в результате одного эксперимента только одну характеристику.

В мире существуют лабораторные исследовательские экструдеры, которые позволяют на одном килограмме снять все требуемые характеристики. Обнинский филиал такой возможности пока лишён. У нас наблюдается скачок - мы от пробирки сразу переходим на оборудование заводского класса, и в итоге наши исследования обходятся достаточно дорого и, естественно, растягиваются по времени.

К чему это приводит? В Китае, в университете Пекина, я знакомился с работой кафедры, которая занимается использованием радиационных воздействий на полимеры. Посмотрел на их оборудование. У них работа по созданию новой композиции, нового полимера может быть выполнена за месяц. У нас, вследствие нашего разрыва в составе оборудования, потребуются годы. И с этим, конечно, нужно что-то делать.

"Росатом" может помочь в этом вопросе?

Помочь, конечно, может, и я надеюсь, что госкорпорация сама в этом будет заинтересована. У ГК "Росатом" очень большое внутреннее потребление кабельной продукции.

И дело не только в кабелях. Вспоминали мы сегодня центрифуги. Есть там одна технологическая задача, связанная с изготовлением. При формовании полимерного волокна, из которого потом будут делать угольное волокно, используется растворитель. Свойства белого ПАНа зависят от того, насколько хорошо он был очищен при изготовлении от мусора, иначе потом вылетит вся механика. Хорошо, профильтруйте раствор. Но из чего вы сделаете фильтры, ведь это растворитель, который растворяет полимеры!

И здесь радиационная химия может помочь. Мы можем создавать радиационно-сшитые порошки полиэтилена, из которых можно изготавливать не растворяющиеся фильтры. Имею в виду, не растворяющиеся в том растворителе, который применяется в технологическом процессе формования волокна.

Вернёмся к свойству огнестойкости. Пожарные формулируют свои требования - допустим, выдерживать минимум полчаса 800°C. Давайте возьмём композицию полимер с водой, полимер, внутри которого распределены капельки воды. До тех пор, пока такая композиция не прогорит, за ней, в том внутреннем объёме, которая она защищает, температура в принципе не может больше 100°C. В принципе не может, пока не выкипит вся вода.

Получается, что можно сделать транспортные контейнеры с относительно тонкой, но при этом удовлетворяющей пожарным требованиям защитой. А это сулит прямую экономию транспортных расходов, ведь в случае авиаперевозок организации, отвечающие за логистику, платят за общий вес и габариты контейнера.

Как получать такие материалы, для нас понятно. Сконструировать их мы можем, была бы поставлена такая задача.

К серийной гамма-установке

Большая часть из тех технологий, которые Вы упомянули сегодня, требует обработки гамма-излучением. Как обстоит дело с гамма-источниками в России?

С гамма-источниками - наверное, хорошо обстоит. Насколько я знаю, "Росатом" успешно торгует ими на мировом рынке, то есть, спрос в нашей стране удовлетворён.

Но говорить следует не об источниках, а о гамма-установках в целом. И вот здесь, мне кажется, мы теряем большие деньги. Продавать нужно не источники, а установки, да ещё и с набором прилагающихся к ним технологий.

Причина заключается в следующем. В России до сих пор не было демонстрационной промышленной гамма-установки, которая бы выполняла требования потенциальных заказчиков.

Нет, установки у нас, конечно, есть. И в филиале есть гамма-установки. Но они опытно-промышленные, на них хорошо отрабатывать технологии, но их нельзя внедрять на производство.

Что нужно бы сделать? Как мне кажется, следует потратить определённые время и средства, хорошо продумать логистику перемещения груза по установке, конструкцию облучателя, дозиметрический контроль, управление, и сделать демонстрационную установку, которую было бы не стыдно показывать потенциальным покупателям.

Иными словами, серийную гамма-установку?

Можно и так её назвать. Я бы видел её как базовую модель, которая поддаётся лёгкому преобразованию в зависимости от нужд заказчика. Между прочим, демонстрационная установка служила бы не только рекламным целям, она могла бы ещё и содержать себя за счёт выполнения заказов на облучение.

Задачу по созданию серийной гамма-установки в России кто-нибудь поставил?

Нет, пока нет.

А имеется ли в ней смысл?

Скажем так - подобная идея давно витает в воздухе.

Я проиллюстрирую одним конкретным примером. В Малайзии на конференции по радиационной технике и технологии я общался с американским специалистом, ставившим в Бразилии радиационную технологию очистки стоков с помощью гамма-излучения. Он рассказал мне следующее - ему пришлось привлечь 18 подрядных организаций из разных стран, с разными языками, специализациями и разной технической культурой.

Для того, чтобы вся эта братия понимала друг друга, чтобы не повторился печальный опыт строительства Вавилонской башни, ему потребовалось нанять штат переводчиков. И не просто переводчиков, а специалистов, которые стыковали терминологии подрядчиков друг с другом. В результате, проект вышел чрезвычайно дорогим и очень и очень длительным.

"Если бы я знал, что в России есть институт, способный выполнить работу по созданию гамма-установки и разработке технологии очистки, то я бы просто приехал к вам и разместил бы у вас свой заказ под ключ", - заявил мне мой американский коллега.

Так что потребность в "серийных" гамма-установках существует. И мы в России можем её удовлетворить, поскольку у нас ещё сохраняется универсализм. Наш недостаток, связанный с тем, что мы как правило знаем слишком много и умеем делать много лишнего, неожиданно превращается в наше достоинство в эпоху всеобщего увлечения разделением труда.

Николай Петрович, заключительный вопрос нашей беседы. Ваши американские коллеги очень любят компьютерное моделирование. Сначала они стараются подобрать параметры материалов с помощью кодов, и только потом переходят к натурным экспериментам. Как с этим обстоит дело у вас?

Удивительный вопрос.

Мы подозреваем, каким будет ответ, но, тем не менее, хотели бы его услышать.

И ошибаетесь в своих подозрениях! С расчётами у нас всё в порядке, в филиале был один из самых мощных теоретических отделов, который занимался моделированием как первоначальных процессов при воздействии излучения на молекулярные системы, так и вопросами устойчивости молекул.

Имеется опыт контакта с математиками из ИАТЭ по качественному анализу динамических систем при радиационном воздействии на растворы красителей. При экспериментах по импульсному воздействию фталоцианиновых красителей было обнаружено необычное колебательное поведение концентрации промежуточных частиц, которое сопровождалось образованием, так называемых, диссипативных структур в объеме образца. Молекулы фталоцианина являются химическими аналогами гемма крови и хлорофилла, поэтому исследуя такие растворы мы больше понимаем о радиационном воздействии на кровь человека и растения.

Так вот математики ИАТЭ очень солидно подошли к анализу наших систем дифференциальных уравнений, описывающих кинетику протекания химических реакций. До сих пор помню отчёт, подготовленный по просьбе филиала Романом Васильевичем Плыкиным (ИАТЭ), который начинался с теоремы №1 о том, что в анализируемой системе уравнений великий закон Ломоносова о том, что ничего никуда не девается бесследно, соблюдён.

Моделирование химических процессов, как правило, заключается в том, что мы переводим химические реакции в дифференциальные уравнения и решаем получившуюся систему. Да, она зачастую бывает неустойчивой, неоднородной, нестационарной, но она решается, а это именно то, что нам нужно. Все достаточно просто, если мы работаем всё ещё в сфере действия линейных законов физики и химии. А при автоволновых, колебательных реакциях все очень усложняется. Анализ таких систем чрезвычайно сложная математическая задача. Когда-нибудь мы перейдём в область нелинейной физики и химии. Перспективы там огромные, но и математикам там придётся потрудиться на совесть.

Спасибо, Николай Петрович, за интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.

ИСТОЧНИК: AtomInfo.Ru

ДАТА: 05.05.2010

Темы: НИФХИ, Николай Челнаков, Интервью